Виды солнечных батарей: сравнительный обзор конструкций и советы по выбору панелей

Альтернативная энергетика максимально развивается в Европе, показывая результатами свою перспективность. Появляются новые виды солнечных батарей, повышается их КПД.

При желании обеспечить работу промышленного здания или жилого помещения за счет энергии солнца, необходимо предварительно узнать об отличиях оборудования, понять, какие солнечные панели подходят под климатические условия определенного региона.

Мы поможем разобраться в этом вопросе. В статье рассмотрен принцип работы фотоэлектрических преобразователей, приведен обзор разных видов солнечных батарей с указанием их характеристик, преимуществ и недостатков. Ознакомившись с материалом, вы сможете сделать правильный выбор для обустройства эффективной гелиосистемы.

Устройство системы электропитания от солнечных батарей и сколько это стоит

Преобразовывать энергию солнца в электричество – эта идея длительное время не давала спать ученым. С открытием свойств полупроводников это стало возможным. В солнечных батареях используются кремниевые кристаллы. При попадании на них солнечного света в них образуется направленное движение электронов, которое называется электрическим током. При соединении достаточного количества таких кристаллов получаем вполне приличные по величине токи: одна панель площадью чуть больше метра (1,3-1,4 м2) при достаточном уровне освещенности может выдать до 270 Вт (напряжение 24 В).

Электрические солнечные батареи для дома открывают много возможностей

Так как освещенность меняется в зависимости от погоды, времени суток, напрямую подключать устройства к солнечным батареям не получается. Нужна целая система. Кроме солнечных панелей требуется:

• Аккумулятор. На протяжении светового дня под воздействием солнечных лучей солнечные батареи вырабатывают электрический ток для дома, дачи. Он не всегда используется в полном объеме, его излишки накапливаются в аккумуляторе. Накопленная энергия расходуется ненастную погоду.
• Контролер. Не обязательная часть, но желательная (при достаточном количестве средств). Отслеживает уровень заряда аккумулятора, не допуская его чрезмерного разряда или превышения уровня максимального заряда. Оба этих состояния губительны для аккумулятора, так что наличие контролера продлевает срок эксплуатации аккумулятора. Также контролер обеспечивает оптимальный режим работы солнечных панелей.
• Преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор). Не все устройства рассчитаны на постоянный ток. Многие работают от переменного напряжения в 220 вольт. Преобразователь дает возможность получить напряжение 220-230 В.

Солнечные батареи для дома — только часть системы
Установив солнечные батареи для дома или дачи, можно стать совершенно независимым от официального поставщика. Но для этого надо затратить приличную сумму:

• Комплект, который вырабатывает 1,5 кВт а сутки стоит около 1000$. Этого достаточно для обеспечения потребностей дачи или части электрооборудования в доме.
• Комплект солнечных батарей для производства 4 кВт в сутки стоит порядка 2200$.
• На 9 кВт в сутки — 6200$.

Так как солнечные батареи для дома — модульная система, можно купить установку, которая будет обеспечивать часть потребностей, постепенно увеличивая ее производительность.

Какую панель выбрать?

Для тех, кто определяется с лучшей солнечной установкой для загородного дома с широтой в пределах 45-60°, выбор очевиден. В этом случае подходящих вариантов всего два: моно- или поликристаллические панели из кремния.

Если места под установку конструкции мало, придётся воспользоваться современными фотоэлектрическими элементами с односторонним расположением кристаллов. В противном случае лучше отдать предпочтение поликристаллическому варианту батареи.

Чтобы определиться с необходимой мощностью, конкретным производителем панелей и дополнительным оборудованием, необходимым для монтажа установки, достаточно воспользоваться услугами консультантов предприятий, занимающихся производством и реализацией соответствующей продукции. Для справки, цена солнечных батарей крупных мировых производителей отличается не существенно.

Тем, кто хочет воспользоваться вариантом «Установка фотоэлектрического оборудования под ключ», следует понимать, что цена самих панелей составит лишь 30% от итоговой стоимости всей работы. Для окупаемости проведённого проекта придётся подождать не менее 10 лет, что весьма немало. Всё будет зависеть от возможности сбыта излишек накопленной энергии в городскую сеть и уровня потребления самого здания.

Некоторые заказчики предпочитают проводить сборку солнечных панелей самостоятельно. Выполнить процедуру несложно, если воспользоваться последовательными инструкциями работы, представленными в текстовом виде на нашем сайте.

Виды солнечных батарей

Сама солнечная батарея — некоторое количество фотоэлементов, которые расположены в общем корпусе, защищенные прозрачной лицевой панелью. Для бытового использования фотоэлементы производят на основе кремния, так как он относительно недорог. Элементы на его основе имеют неплохой КПД (порядка 20-24%).

На основе кремниевых кристаллов изготавливают монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные (гибкие) фотоэлементы. Некоторое количество этих фотоэлементов электрически соединены между собой (последовательно и/или параллельно) и выведены на клеммы, расположенные на корпусе. Это и называют солнечной батареей или панелью.

Солнечная панель для дома состоит из некоторого количества фтоэлементов

Фотоэлементы установлены в закрытом корпусе. Корпус солнечной батареи делают из анодированного алюминия. Он легкий, не подвержен коррозии. Лицевую панель делают из прочного стекла, которое должно выдерживать снего-ветровые нагрузки. К тому же оно должно обладать определенными оптическими свойствами — иметь максимальную прозрачность, чтобы пропускать как можно больше лучей. Из-за отражения теряется значительное количество энергии, так что требования к качеству стекла высокие и еще оно покрывается антибликовым составом.

Виды фотоэлементов для солнечных батарей

Солнечные батареи для дома делают на основе кремневых элементов трех типов;

• Монокристаллические. Каждый фотоэлемент — один кристалл кремния. Монокристаллические фотоэлементы имеют неплохой КПД (порядка 24,7%), но и стоимость их несколько выше. Отличить можно, во-первых, по однородному насыщенному синему цвету, во-вторых, по скругленным краям фотоэлемента.

  
  Виды кремниевых фотоэлементов для солнечных батарей

  Читайте также:  Реле контроля напряжения 1 фазное схема подключения
• Поликристаллические. Несколько небольших кремниевых кристаллов объединены в один фотоэлемент. Они имеют неоднородную структуру, из-за чего хуже поглощают солнечный свет. Это отражается на КПД (20,3%). Фактически это означает, что солнечная панель той же мощности будет занимать примерно на 20% больше площади.
• Тонкопленочные. Представляют собой слой полупроводника, напыленный на гибкую подложку. За счет своей гибкости могут монтироваться на криволинейные поверхности. Имеют невысокую производительность (порядка 10,4%), так что занимают большие площади (как минимум, в 2 раза больше, чем поликристаллические).

Если у вас скатная крыша и фасад развернут на юг или восток, слишком сильно думать о занимаемой площади не имеет смысла. Вполне могут устроить поликристаллические модули. При равном количестве производимой энергии они стоят немного дешевле.

Как правильно выбрать систему солнечных батарей для дома

Есть распространенные заблуждения, которые заставляют вас тратить лишние деньги на приобретение чересчур дорогого оборудования. Ниже приведем рекомендации того, как правильно выстроить систему электропитания от солнечных батарей и не потратить лишних денег.

Солнечные электростанции для дома могут быть не такими дорогими, если подходить к вопросу взвешенно

Что надо купить

Далеко не все компоненты солнечной электростанции жизненно необходимы для работы. Некоторые служат для повышения надежности, но без них система работоспособна. Первое, что стоит запомнить — приобретайте солнечные батареи в конце зимы, начале весны. Во-первых, погода в это время отличная, много солнечных дней, снег отражает солнце, увеличивая общую освещенность. Во-вторых, в это время традиционно объявляют скидки. Далее советы такие:

• Приобретайте солнечные батареи для дома с выходным напряжением 12 В. Именно от такого напряжения работает большая часть бытовой и строительной техники, светодиодные светильники и т.д. Техники, работающей от 24 или 48 вольт намного меньше. Можете посмотреть паспорта или воспользуйтесь поиском.
• Не используйте для освещения лампы накаливания. Они потребляют слишком много электроэнергии, да и работают от 220 в. Замените их на светодиодные. Для них постоянный ток в 12 В — это то, что надо.

  
  «Полная» система электропитания от солнечных батарей выглядит так

• Не старайтесь сразу купить систему большой мощности чтобы покрыть все возможные потребности. Для начала купите пару модулей без преобразователя/инвертора, подключите к ним ту технику, которая работает от постоянного напряжения. Если вас устроит система, позднее можно нарастить мощность, докупить инвертор и подключить технику, которая работает от 220-230 В. И учтите, что инвертор, даже при выключенной нагрузке, потребляет электроэнергию (потери на преобразовании примерно 30%). То есть ночью, когда все выключено, он просто расходует заряд АКБ. Причем выдает он далеко не идеальную синусоиду. В общем, все что может работать от постоянного напряжения, запитываем от аккумуляторов напрямую.

Если воспользоваться только этими советами, и подключить только технику, которая работает от постоянного напряжения, система солнечных батарей для дома обойдется в гораздо более скромную сумму чем самый дешевый комплект. Но это еще не все. Можно еще часть оборудования оставить «на потом» или вообще обойтись без него.

Без чего можно обойтись

Стоимость комплекта солнечных батарей на 1 кВт в сутки — более тысячи долларов. Немалые вложения. Поневоле задумаешься, а стоит ли оно того и каков же будет срок окупаемости. При нынешних тарифах ждать пока отобьются свои деньги придется не один год. Но можно затраты уменьшить. Не за счет качества, но за счет незначительного снижения комфортности эксплуатации системы и за счет разумного подхода к подбору ее компонентов.

• Не покупайте гелиевые или аккумуляторы глубокого разряда. Они не стоят своих денег. С солнечными батареями для дома отлично работают даже отслужившие свой срок автомобильные АКБ . Они нормально работают еще, минимум, 5 лет.

  
  Если площадь не ограничена, можно купить солнечную батарею на поликристаллических фотоэлементах

• В принципе, можно обойтись еще меньшими средствами. Можно не ставить контроллер. Он стоит не менее 150$ (а при большой мощности 500$), а вся его задача — мониторить состояние заряда батарей. Если бюджет ограничен, купите автомобильные часы, работающие от 12 В, которые также измеряют напряжение, температуру. Они стоят 2-5$ и практически выполняют ту же функцию. А чтобы избежать перезаряда, купите лишний аккумулятор. Или два. Суммарная мощность «лишней» емкости должна быть не ниже 20%. Это и позволит избежать перезаряда, и увеличит емкость системы.

Итак, если бюджет ограничен, можно обойтись несколькими солнечными панелями и аккумуляторными батареями, емкость которых на 20-25% выше максимального заряда солнечных панелей. Для мониторинга состояния купите автомобильные часы, которые еще измеряют напряжение. Это избавит вас от необходимости несколько раз в день измерять заряд на АКБ. Вместо этого вам надо будет время от времени смотреть на показания часов. Для старта это все. В дальнейшем можно докупать солнечные батареи для дома, увеличивать количество АКБ. При желании, можно купить инвертор.

Типы преобразователя

Промышленные варианты солнечных панелей разделяются по типу главного слоя, особенностей конструкции.

По типу устройства они могут быть жёсткими, гибкими. Благодаря универсальности в монтажных работах большую популярность среди пользователей занимают гибкие панели. Весомый плюс – их можно установить любой, даже не плоской поверхности.

КПД солнечных элементов

По типу основного фотоэлектрического слоя батареи альтернативной энергии бывают:

• индий-медь-галлиевые;
• полимерные;
• теллурий-кадмиевые;
• кремниевые;
• арсенид-галлиевые;
• органические;
• многослойные;
• комбинированные.

Среди потребителей популярностью пользуются кристаллические варианты из кремния и кадмиевые, несмотря на то, что КПД иных куда больше. Всё решает цена самой конструкции и стоимость её установки.

Панели из кремния быстро нагреваются: температура старта электрогенерации равна 25°C. Правда, повышение параметра на 1°C снижает эффективность установки на 0,5%.

Определяемся с размерами и количеством фотоэлементов

В хороших солнечных батареях на 12 вольт должно быть 36 элементов, на 24 вольта — 72 фотоэлемента. Это количество оптимально. При меньшем числе фотоэлементов вы никогда не получите заявленный ток. И это — лучший из вариантов.

Не стоит покупать сдвоенные солнечные панели — по 72 и 144 элемента соответственно. Во-первых, они очень большие, что неудобно при перевозке. Во-вторых, при аномально низких температурах, которые у нас периодически случаются, они первыми выходят из строя. Дело в том, что ламинирующая пленка при морозах сильно уменьшается в размерах. На больших панелях из-за большого натяжения она отслаивается или даже рвется. Теряется прозрачность, катастрофически падает производительность. Панель идет в ремонт.

Солнечная панель на 4 В имеет 7 элемента

Второй фактор. На больших по размерам панелях должна быть больше толщина корпуса и стекла. Ведь увеличивается парусность и снеговые нагрузки. Но далеко не всегда это делают, так как значительно возрастает цена. Если вы видите сдвоенную панель, а цена на нее ниже, чем на две «обычных», лучше ищите что-то другое.

Еще раз: лучший выбор — солнечная панель для дома на 12 вольт, состоящая из 36 фотоэлементов. Это оптимальный вариант, проверенный практикой.

Примерные цены

Цена на разные виды солнечных панелей может разниться от 30 000 до 2 000 000 рублей. Все зависит от количества модулей, качества их исполнения, фирмы-производителя и количества комплектующих частей. Есть самые «бюджетные» варианты, которые могут стоить от 10 500 рублей. Целесообразность их приобретения стоит рассматривать в индивидуальном порядке.

Солнечные батареи — альтернативный источник энергии, который можно использовать в качестве эффективного резерва. Главное — учитывать климатические условия региона проживания. Ведь производительность работы такой системы, большей частью, зависит от количество солнечных дней в году.

Технические характеристики: на что обратить внимание

В сертифицированных солнечных батареях всегда указывается рабочий ток и напряжение, а также напряжение холостого хода и ток КЗ. При этом стоит учесть, что все параметры обычно указываются для температуры +25°C. В солнечный день на крыше батарея разогревается до температур, значительно превышающих эту цифру. Это объясняет наличие большего рабочего напряжения.

Пример технических характеристик солнечных батарей для дома

Также обратите внимание на напряжение холостого хода. В нормальных батареях оно порядка 22 В. И все бы ничего, но если проводить работы на оборудовании не отключив солнечные батареи, напряжение холостого хода выведет из строя инвертор или другую подключенную технику, не рассчитанную на подобный вольтаж. Потому при любых работах — переключении проводов, подключении/отключении аккумуляторов и т.д. и т.п — первое что вы должны сделать — отключить солнечные батареи (снять клеммы). Перебрав схему, их подключаете последними. Такой порядок действий сохранит вам много нервов (и денег).

Немного о сфере применения

Солнечные батареи уже длительное время широко применяются в разных сферах человеческой деятельности, начиная с их установки на крупных промышленных объектах и заканчивая бытовым использованием на крышах жилых домов и автомобилей. Подробнее о промышленных солнечных батареях →

Их активно используют:

• в селах и деревнях, где часто отключается электричество;
• в условиях слабой электрификации местности;
• как резервные источники энергии;
• при реализации экспериментальных проектов (например, использование энергии Солнца с целью получения горячей воды).

Корпус и стекло

Солнечные батареи для дома имеют алюминиевый корпус. Этот металл не корродирует, при достаточной прочности имеет небольшую массу. Нормальный корпус должен быть собран из профиля, в котором присутствуют, как минимум, два ребра жесткости. К тому же стекло должно быть вставлено в специальный паз, а не закреплено сверху. Все это — признаки нормального качества.

Бликов на корпусе быть не должно

Еще при выборе солнечной батареи обратите внимание на стекло. В нормальных батареях оно не гладкое, а текстурированное. На ощупь — шершавое, если провести ногтями, слышен шорох. К тому же должно иметь качественное покрытие, которое сводит к минимуму блики. Это означает что в нем не должно ничего отражаться. Если хоть под каким-то углом видны отражения окружающих предметов, лучше найдите другую панель.

Где купить

Солнечная батарея (панель), это довольно дорогостоящее устройство, к тому же, как правило необходимо приобретать несколько панелей, поэтому лучшим местом для приобретения, являются специализированные организации, занимающиеся продажей солнечных электростанций и комплектующих к ним.

В связи с тем, как уже писалось выше, на рынке подобных устройств, большое количество китайских изделий, то можно воспользоваться покупкой через интернет. В этом случае необходимо используя тот же интернет, изучить отзывы о приобретаемом устройстве, а также отзывы о компании, которая его поставляет.

У российских и европейских компаний, есть представительства в разных городах нашей страны, можно воспользоваться их услугами, предварительно, так же, как и при приобретении через интернет, ознакомившись с отзывами о выбранном устройстве.

Выбор сечения кабеля и тонкости электрического подключения

Подключать солнечные батареи для дома необходимо медным одножильным кабелем. Сечение жилы кабеля зависит от расстояния между модулем и АКБ:

• расстояние менее 10 метров: 1,5 мм2 на одну солнечную батарею мощностью 100 Вт;
• на две батареи — 2,5 мм2;
• три батареи — 4,0 мм2;

Можно брать сечение больше, но не меньше (будут большие потери, а оно нам не надо). При покупке проводов, обратите внимание на фактическое сечение, так как сегодня заявленные размеры очень часто не соответствуют действительным. Для проверки придется измерять диаметр и считать сечение (как это делать, прочесть можно тут).

Солнечные батареи для дома: электрическое подключение

При сборе системы можно плюсы солнечных батарей провести используя многожильный кабель подходящего сечения, а для минуса использовать один толстый. Перед подключением к аккумуляторам все «плюсы» пропускаем через диоды или диодные сборки с общим катодом. Это предотвращает возможность замыкания аккумулятора (может вызвать возгорание) при замыкании или обрыве проводов между батареями и аккумулятором.

Диоды используют типа SBL2040CT, PBYR040CT. Если такие на нашли, можно снять со старых блоков питания персональных компьютеров. Там обычно стоят SBL3040 или подобные. Пропускать через диоды желательно. Не забудьте что они сильно греются, так что монтировать их надо на радиаторе (можно на едином).

Еще в системе необходим блок предохранителей. По одному на каждого потребителя. Всю нагрузку подключаем через этот блок. Во-первых, система так безопаснее. Во-вторых, при возникновении проблем, проще определить ее источник (по сгоревшему предохранителю).

История развития

Свое развитие батареи солнечные начали еще в далеком XIX веке. Предпосылкой этому стали революционные исследования о преобразовании энергии Солнца в более материальную составляющую.

Первые солнечные панели имели КПД всего 1%, а их химической основой являлся селен. Первый вклад в развитие таких элементов питания внесли А. Беккерель, У. Смит, Ч. Фриттс.

Но использование всего 1% от всей энергии, поступающей на солнечную панель – это очень мало. Данные элементы не могли обеспечить бесперебойное питание техники, поэтому исследования продолжались.

В 1954 году трое ученых – Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кэл Фуллер – изобрели батарею уже с КПД 4%. Она работала на кремнии, а впоследствии ее КПД было увеличено до 20%.

На данный момент солнечные батареи продуцируют только 1% от всей энергии в мире. Их в основном проводят в места труднодоступные для электрификации. Широко применяют этот источник питания в космической промышленности. Специалисты считают, что такому аккумулятору открыты все пути, ведь с каждым годом солнечная активность возрастает.

В наших широтах данные элементы питания устанавливают в частных домах при экономии энергопотребления и заботе об окружающей среде.

Сложности

Основной проблемой является очистка кремния, точнее стоимость этого процесса, а также ориентирование кристаллов в пределах панели в одном направлении.

Могут использоваться для изготовления преобразователей полупроводниковых помимо кремния иные элементы — индий, например. Их применение не сказывается на принципе функционирования — он не меняется.

Как сделать своими руками из подручных средств

При желании, наличии свободного времени и минимальных познаний в электротехнике, можно изготовить солнечную батарею из подручных средств. Вариантов может быть множество, все зависит от имеющихся материалов, «багажа» знаний и навыков.

Подобные устройства можно изготовить:

1. Из использованных ранее транзисторов (электронных устройств). В этом случае, у транзисторов отрезаются крышки и сами транзисторы соединяются последовательно. При попадании солнечных лучей на внутренние плоскости, обладающие «p-n» переходом, внутри их образуется электрический ток. Транзисторы помещаются в отдельный корпус, к концам припаиваются выводы – солнечная батарея готова.
2. Из диодов. Для изготовления, из этих электронных приборов, потребуется их большое количество, а также электронная плата, используемая в качестве подложки. Верхняя часть диодов срезается, кристалл достается из корпуса прибора (выполняется нагрев и извлечение из корпуса). Извлеченные кристаллы крепятся на плате методом пайки в отдельные блоки. Соединение выполняется последовательно, для достижения требуемых значений напряжения. Собранные блоки соединяются между собой параллельно.
3. Из медного листа. Медный лист очищается, после чего нагревается, для этого используется: открытый огонь, электрический ТЭН или иной источник тепла. В процессе нагрева медь чернеет, нагрев продолжается еще некоторое время, после чего лист медленно остывает. Из данной листа вырезается электрод, такого размера, чтобы поместился в подготовленную заранее емкость, это может быть пластиковая бутылка, канистра с отрезанным верхом или иная емкость, но главное условие – изготовленная из материала, не проводящего электрический ток. Из другого листа меди, не подвергавшегося нагреву, вырезается второй электрод, по размерам аналогичный первому. Электроды помещаются в подготовленную емкость, и крепятся к ее стенкам, к ним подсоединяются проводники. Пластины не должны касаться друг друга. Чистый медный лист – это положительный полюс, лист подвергавшийся нагреву – это отрицательный полюс. В емкость наливается вода, в которой растворена каменная соль, устройство устанавливается на солнечный свет – батарея готова.
4. Из фотоэлементов заводского производства. В этом случае вначале фотоэлементы собираются в определенной последовательности на подложке. Изготавливается корпус, в который помещаются собранные фотоэлементы, корпус герметизируется. Батарея готова.